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caffe-源码学习——只看一篇就够了

时间：2019-12-04 08:44:19

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caffe-源码学习——只看一篇就够了

网络模型

说caffe代码难懂，其实关键点在于caffe中有很多基础的数学运算代码，如果能够对掌握这些数学运算，剩下的就是推公式了。

激活函数

sigmoid

看softmax函数之前先看一下简单的sigmoid, 这个sigmoid layer的cpp实现是非常简洁的。 sigmoid的cpp文件里主要给了三个函数的实现，分别是sigmoid函数，forward_cpu, backward_cpu,在cpp文件里只实现了算法的CPU版本，至于GPU版本的函数实现放在.cu文件里面。

template <typename Dtype>inline Dtype sigmoid(Dtype x) {return 0.5 * tanh(0.5 * x) + 0.5;}template <typename Dtype>void SigmoidLayer<Dtype>::Forward_cpu(const vector<Blob<Dtype>*>& bottom,const vector<Blob<Dtype>*>& top) {const Dtype* bottom_data = bottom[0]->cpu_data();Dtype* top_data = top[0]->mutable_cpu_data();const int count = bottom[0]->count();for (int i = 0; i < count; ++i) {top_data[i] = sigmoid(bottom_data[i]);}}template <typename Dtype>void SigmoidLayer<Dtype>::Backward_cpu(const vector<Blob<Dtype>*>& top,const vector<bool>& propagate_down,const vector<Blob<Dtype>*>& bottom) {if (propagate_down[0]) {const Dtype* top_data = top[0]->cpu_data();const Dtype* top_diff = top[0]->cpu_diff();Dtype* bottom_diff = bottom[0]->mutable_cpu_diff();const int count = bottom[0]->count();for (int i = 0; i < count; ++i) {const Dtype sigmoid_x = top_data[i];bottom_diff[i] = top_diff[i] * sigmoid_x * (1. - sigmoid_x);}}}

sigmoid函数

注意这里的sigmoid函数与标准的定义不太一样。参见ufld里面的定义

神经网络UFLD

而在这里 sigmoid = 0.5 tanh(0.5 x) + 0.5, sigmoid变化范围为从0-1, tanh从-1到1，乘于0.5再加上0.5两者变化范围就一样了。

forward_cpu

这个很容易就能看懂，就是对每一个bottom元素计算sigmoid就得到来top的元素。

backward_cpu

发现新版的代码真的很好懂，sigmoid函数的到函数是sigmoid*(1-sigmoid) , 所以这里就直接利用来。其中propagate_down表明这一层是否要反传。

softmaxlayer

这段代码比较复杂，比较好的注释如下。但是这个注释针对的代码版本比较老。

caffe深度学习网络softmax层代码注释

这里我们分析比较新的代码，当前(0622)比较新的代码是1202提交的代码，结构如下

/template <typename Dtype>void SoftmaxLayer<Dtype>::Reshape(const vector<Blob<Dtype>*>& bottom,const vector<Blob<Dtype>*>& top) {softmax_axis_ =bottom[0]->CanonicalAxisIndex(this->layer_param_.softmax_param().axis());//softmax层的输出应该与输入层一致top[0]->ReshapeLike(*bottom[0]);vector<int> mult_dims(1, bottom[0]->shape(softmax_axis_));sum_multiplier_.Reshape(mult_dims);Dtype* multiplier_data = sum_multiplier_.mutable_cpu_data();caffe_set(sum_multiplier_.count(), Dtype(1), multiplier_data);outer_num_ = bottom[0]->count(0, softmax_axis_);inner_num_ = bottom[0]->count(softmax_axis_ + 1);vector<int> scale_dims = bottom[0]->shape();// scale_尺寸为：num*1*height*widthscale_dims[softmax_axis_] = 1;scale_.Reshape(scale_dims);}//前向计算，得到softmax的值template <typename Dtype>void SoftmaxLayer<Dtype>::Forward_cpu(const vector<Blob<Dtype>*>& bottom,const vector<Blob<Dtype>*>& top) {const Dtype* bottom_data = bottom[0]->cpu_data();Dtype* top_data = top[0]->mutable_cpu_data();Dtype* scale_data = scale_.mutable_cpu_data();int channels = bottom[0]->shape(softmax_axis_);int dim = bottom[0]->count() / outer_num_;caffe_copy(bottom[0]->count(), bottom_data, top_data);// We need to subtract the max to avoid numerical issues, compute the exp,// and then normalize.// 先找到最大值for (int i = 0; i < outer_num_; ++i) {//outer_num就是num输出数据的数目// initialize scale_data to the first planecaffe_copy(inner_num_, bottom_data + i * dim, scale_data);//dim表示每个数据有多少个不同类别的值.for (int j = 0; j < channels; j++) {for (int k = 0; k < inner_num_; k++) {scale_data[k] = std::max(scale_data[k],//每个元素表示应该是当前位置中所有类别和channel里面最大的那一个。bottom_data[i * dim + j * inner_num_ + k]);}}// subtraction 减去最大值详细分析见后面 caffe_cpu_gemm<Dtype>(CblasNoTrans, CblasNoTrans, channels, inner_num_,1, -1., sum_multiplier_.cpu_data(), scale_data, 1., top_data);// exponentiation 求指数caffe_exp<Dtype>(dim, top_data, top_data);// sum after exp 求和caffe_cpu_gemv<Dtype>(CblasTrans, channels, inner_num_, 1.,top_data, sum_multiplier_.cpu_data(), 0., scale_data);// division 做除法for (int j = 0; j < channels; j++) {caffe_div(inner_num_, top_data, scale_data, top_data);top_data += inner_num_;}}}template <typename Dtype>void SoftmaxLayer<Dtype>::Backward_cpu(const vector<Blob<Dtype>*>& top,const vector<bool>& propagate_down,const vector<Blob<Dtype>*>& bottom) {const Dtype* top_diff = top[0]->cpu_diff();const Dtype* top_data = top[0]->cpu_data();Dtype* bottom_diff = bottom[0]->mutable_cpu_diff();Dtype* scale_data = scale_.mutable_cpu_data();int channels = top[0]->shape(softmax_axis_);int dim = top[0]->count() / outer_num_;caffe_copy(top[0]->count(), top_diff, bottom_diff);for (int i = 0; i < outer_num_; ++i) {// compute dot(top_diff, top_data) and subtract them from the bottom diff//计算top_diff与top_data的点集for (int k = 0; k < inner_num_; ++k) {scale_data[k] = caffe_cpu_strided_dot<Dtype>(channels,bottom_diff + i * dim + k, inner_num_,top_data + i * dim + k, inner_num_);}// subtractioncaffe_cpu_gemm<Dtype>(CblasNoTrans, CblasNoTrans, channels, inner_num_, 1,-1., sum_multiplier_.cpu_data(), scale_data, 1., bottom_diff + i * dim);}// elementwise multiplicationcaffe_mul(top[0]->count(), bottom_diff, top_data, bottom_diff);}#ifdef CPU_ONLYSTUB_GPU(SoftmaxLayer);#endifINSTANTIATE_CLASS(SoftmaxLayer);

caffe_cpu_gemm减法

在forward_cpu函数里做减法的时候调用来caffe_cpu_gemm函数，这个函数的实现在 src/caffe/util/math_functions.cpp里面

caffecpugemm-函数

template<>void caffe_cpu_gemm<float>(const CBLAS_TRANSPOSE TransA,const CBLAS_TRANSPOSE TransB, const int M, const int N, const int K,const float alpha, const float* A, const float* B, const float beta,float* C) {int lda = (TransA == CblasNoTrans) ? K : M;int ldb = (TransB == CblasNoTrans) ? N : K;cblas_sgemm(CblasRowMajor, TransA, TransB, M, N, K, alpha, A, lda, B,ldb, beta, C, N);}

功能： C=alphaAB+beta*C
A,B,C 是输入矩阵（一维数组格式）
CblasRowMajor :数据是行主序的（二维数据也是用一维数组储存的）
TransA, TransB：是否要对A和B做转置操作（CblasTrans CblasNoTrans）
M： A、C 的行数
N： B、C 的列数
K： A 的列数， B 的行数
lda ： A的列数（不做转置）行数（做转置）
ldb： B的列数（不做转置）行数（做转置）

所以这里求减法：

caffe_cpu_gemm<Dtype>(CblasNoTrans, CblasNoTrans, channels, inner_num_,1, -1., sum_multiplier_.cpu_data(), scale_data, 1., top_data);

就是：topdata=topdata−1summultiplier.cpudata()scaledatatopdata=topdata−1summultiplier.cpudata()scaledata，这里用top_data来减而不用bottom一方面是因为bottom是const的，取的是cpu_data(), 而top_data是mutable_cpu_data,另一方面之前已经把数据从bottom拷贝到top里面去了。

而在back_ward函数里面也用到了这个函数。

caffe_cpu_gemm<Dtype>(CblasNoTrans, CblasNoTrans, channels, inner_num_, 1,-1., sum_multiplier_.cpu_data(), scale_data, 1., bottom_diff + i * dim);

bottomdiff+idim=bottomdiff+idim−summultiplier.cpudata()∗scaledatabottomdiff+idim=bottomdiff+idim−summultiplier.cpudata()∗scaledata

caffe_exp指数

caffe_exp函数是用来求指数的，其中一个实现是这样的。

template <>void caffe_exp<float>(const int n, const float* a, float* y) {vsExp(n, a, y);}

功能： y[i] = exp(a[i] )

所以， forward_cpu里面的指数就很容易理解了。

caffe_exp(dim, top_data, top_data);

caffe_cpu_gemv求和

template <>void caffe_cpu_gemv<float>(const CBLAS_TRANSPOSE TransA, const int M,const int N, const float alpha, const float* A, const float* x,const float beta, float* y) {cblas_sgemv(CblasRowMajor, TransA, M, N, alpha, A, N, x, 1, beta, y, 1);}

功能： y=alphaAx+beta*y
其中X和Y是向量，A 是矩阵
M：A 的行数
N：A 的列数
cblas_sgemv 中的参数1 表示对X和Y的每个元素都进行操作

forward_cpu里面的求和就很容易理解了

// sum after exp 求和caffe_cpu_gemv<Dtype>(CblasTrans, channels, inner_num_, 1.,top_data, sum_multiplier_.cpu_data(), 0., scale_data);

scale_data =\sum top_data[i]*sum_multiplier_.cpu_data()[i];

caffe_div除法

template <>void caffe_div<float>(const int n, const float* a, const float* b,float* y) {vsDiv(n, a, b, y);}

功能 y[i] = a[i] / b[i]

// division 做除法for (int j = 0; j < channels; j++) {caffe_div(inner_num_, top_data, scale_data, top_data);top_data += inner_num_;

top_data[i] = top_data[i] / scale_data[i];

caffe_cpu_strided_dot

template <>double caffe_cpu_strided_dot<double>(const int n, const double* x,const int incx, const double* y, const int incy) {return cblas_ddot(n, x, incx, y, incy);}

功能：返回 vector X 和 vector Y 的内积。
incx， incy ：步长，即每隔incx 或 incy 个element 进行操作。

–

caffe_mul

template <>void caffe_mul<float>(const int n, const float* a, const float* b,float* y) {vsMul(n, a, b, y);}

功能y[i]=a[i]∗b[i]y[i]=a[i]∗b[i]

caffe_mul(top[0]->count(), bottom_diff, top_data, bottom_diff);

bottom_diff[i] = bottom_diff[i] * top_data[i]

反向传播公式推导

Caffe Softmax层的实现原理,知乎

看完softmax layer的实现，我们再来看一下SoftmaxWithLossLayer的代码实现。

卷积层

计算量与参数量

每个样本做一次前向传播时卷积计算量为：ijMNKLijMNKL，其中ijij是卷积核的大小，M∗LM∗L是输出特征图的大小，K是输入特征图通道数，L是输出特征图通道数。

参数量为：iJK∗LiJK∗L

所以有个比例叫做计算量参数量之比 CPR，如果在前馈时每个批次batch_size = B, 则表示将B个输入合并成一个矩阵进行计算，那么相当于每次的输出特征图增大来B倍，所以CPR提升来B倍，也就是，每次计算的时候参数重复利用率提高来B倍。

卷积层：局部互连，权值共享，

源码学习

先用grep函数在caffe根目录下搜索一下包含ConvolutionLayer的文件有哪些，然后从头文件入手慢慢分析，下面是结果，精简来一些无效成分，在caffe的include文件夹下执行：

grep -n -H -R "ConvolutionLayer"

-n表示显示行号，-H表示显示文件名，-R表示递归查找后面部分表示查找的内容

结果如下

caffe/layer_factory.hpp:31: * (for example, when your layer has multiple backends, see GetConvolutionLayercaffe/layers/base_conv_layer.hpp:15: * ConvolutionLayer and DeconvolutionLayer.caffe/layers/base_conv_layer.hpp:18:class BaseConvolutionLayer : public Layer<Dtype> {caffe/layers/base_conv_layer.hpp:20: explicit BaseConvolutionLayer(const LayerParameter& param)caffe/layers/deconv_layer.hpp:17: * opposite sense as ConvolutionLayer.caffe/layers/deconv_layer.hpp:19: * ConvolutionLayer computes each output value by dotting an input window withcaffe/layers/deconv_layer.hpp:22: * DeconvolutionLayer is ConvolutionLayer with the forward and backward passescaffe/layers/deconv_layer.hpp:24: * parameters, but they take the opposite sense as in ConvolutionLayer (socaffe/layers/deconv_layer.hpp:29:class DeconvolutionLayer : public BaseConvolutionLayer<Dtype> {caffe/layers/deconv_layer.hpp:32:: BaseConvolutionLayer<Dtype>(param) {}caffe/layers/im2col_layer.hpp:14: * column vectors. Used by ConvolutionLayer to perform convolutioncaffe/layers/conv_layer.hpp:31:class ConvolutionLayer : public BaseConvolutionLayer<Dtype> {caffe/layers/conv_layer.hpp:35: * with ConvolutionLayer options:caffe/layers/conv_layer.hpp:64: explicit ConvolutionLayer(const LayerParameter& param)caffe/layers/conv_layer.hpp:65:: BaseConvolutionLayer<Dtype>(param) {}caffe/layers/cudnn_conv_layer.hpp:16: * @brief cuDNN implementation of ConvolutionLayer.caffe/layers/cudnn_conv_layer.hpp:17: * Fallback to ConvolutionLayer for CPU mode.caffe/layers/cudnn_conv_layer.hpp:30:class CuDNNConvolutionLayer : public ConvolutionLayer<Dtype> {caffe/layers/cudnn_conv_layer.hpp:32: explicit CuDNNConvolutionLayer(const LayerParameter& param)caffe/layers/cudnn_conv_layer.hpp:33:: ConvolutionLayer<Dtype>(param), handles_setup_(false) {}caffe/layers/cudnn_conv_layer.hpp:38: virtual ~CuDNNConvolutionLayer();

主要有三个类包含这个卷积层的实现：

base_conv_layer：主要是卷积层基类的实现

deconv_layer：目测是反向传播时候的卷积层的逆向过程

cudnn_conv_layer：目测是cudnn实现的卷积层版本继承自BaseConvolutionLayer,GPU版本

接下来我们就打开这三个文件，跳转到相关行，详细看一下。

class BaseConvolutionLayer : public Layer<Dtype> {public:explicit BaseConvolutionLayer(const LayerParameter& param): Layer<Dtype>(param) {}virtual void LayerSetUp(const vector<Blob<Dtype>*>& bottom,const vector<Blob<Dtype>*>& top);virtual void Reshape(const vector<Blob<Dtype>*>& bottom,const vector<Blob<Dtype>*>& top);virtual inline int MinBottomBlobs() const { return 1; }virtual inline int MinTopBlobs() const { return 1; }virtual inline bool EqualNumBottomTopBlobs() const { return true; }protected:// Helper functions that abstract away the column buffer and gemm arguments.// The last argument in forward_cpu_gemm is so that we can skip the im2col if// we just called weight_cpu_gemm with the same input.void forward_cpu_gemm(const Dtype* input, const Dtype* weights,Dtype* output, bool skip_im2col = false);void forward_cpu_bias(Dtype* output, const Dtype* bias);void backward_cpu_gemm(const Dtype* input, const Dtype* weights,Dtype* output);void weight_cpu_gemm(const Dtype* input, const Dtype* output, Dtype*weights);void backward_cpu_bias(Dtype* bias, const Dtype* input);#ifndef CPU_ONLYvoid forward_gpu_gemm(const Dtype* col_input, const Dtype* weights,Dtype* output, bool skip_im2col = false);void forward_gpu_bias(Dtype* output, const Dtype* bias);void backward_gpu_gemm(const Dtype* input, const Dtype* weights,Dtype* col_output);void weight_gpu_gemm(const Dtype* col_input, const Dtype* output, Dtype*weights);void backward_gpu_bias(Dtype* bias, const Dtype* input);#endif

这里给出来CPU和GPU版本的代码的声明，这些代码比较底层，先放一放以后再看。

forward_cpu_gemm:猜测可能是前馈过程计算weight部分，来看看CPP里面的实现吧。

在BaseConvolutionLayer中的卷积的实现中有一个重要的函数就是im2col以及col2im，im2colnd以及col2imnd。前面的两个函数是二维卷积的正向和逆向过程，而后面的两个函数是n维卷积的正向和逆向过程。

void BaseConvolutionLayer<Dtype>::forward_cpu_gemm(const Dtype* input,const Dtype* weights, Dtype* output, bool skip_im2col) {const Dtype* col_buff = input;if (!is_1x1_) {if (!skip_im2col) {// 如果没有1x1卷积，也没有skip_im2col // 则使用conv_im2col_cpu对使用卷积核滑动过程中的每一个kernel大小的图像块 // 变成一个列向量，形成一个height=kernel_dim_ // width = 卷积后图像heght*卷积后图像width conv_im2col_cpu(input, col_buffer_.mutable_cpu_data());}col_buff = col_buffer_.cpu_data();}for (int g = 0; g < group_; ++g) {caffe_cpu_gemm<Dtype>(CblasNoTrans, CblasNoTrans, conv_out_channels_ /group_, conv_out_spatial_dim_, kernel_dim_,(Dtype)1., weights + weight_offset_ * g, col_buff + col_offset_ * g,(Dtype)0., output + output_offset_ * g);}}

参考资料

caffe代码阅读10：Caffe中卷积的实现细节

数据集

生成数据集的均值文件

这里计算图像的均值使用的是pper_image_mean方法，在natural images上训练的时候，这种方式比较好，以imagenet数据集为例，caffe在使用imagenet数据集的时候需要计算均值文件，详细见python-caffe

caffe-blob

【Caffe代码解析】Blob

caffe源码分析–Blob类代码研究

Caffe源码解析1：Blob

结构体分析

Blob 是Caffe作为数据传输的媒介，无论是网络权重参数，还是输入数据，都是转化为Blob数据结构来存储，网络，求解器等都是直接与此结构打交道的。

4纬的结构体（包含数据和梯度)，其4维结构通过shape属性得以计算出来.

成员变量

protected:shared_ptr<SyncedMemory> data_;// 存放数据shared_ptr<SyncedMemory> diff_;//存放梯度vector<int> shape_; //存放形状int count_; //数据个数int capacity_; //数据容量

成员函数

const Dtype* cpu_data() const;//cpu使用的数据void set_cpu_data(Dtype* data); //用数据块的值来blob里面的data。const Dtype* gpu_data() const; //返回不可更改的指针，下同const Dtype* cpu_diff() const;const Dtype* gpu_diff() const;Dtype* mutable_cpu_data(); //返回可更改的指针，下同Dtype* mutable_gpu_data();Dtype* mutable_cpu_diff();Dtype* mutable_gpu_diff();int offset(const int n, const int c = 0, const int h = 0,const int w = 0) const// 通过n,c,h,w 4个参数来计算一维向量的偏移量。Dtype data_at(const int n, const int c, const int h,const int w) const//通过n,c,h,w 4个参数来来获取该向量位置上的值。Dtype diff_at(const int n, const int c, const int h,const int w) const//同上inline const shared_ptr<SyncedMemory>& data() const {CHECK(data_);return data_; //返回数据，不能修改}inline const shared_ptr<SyncedMemory>& diff() const {CHECK(diff_);return diff_; //返回梯度，不能修改}Reshape(...)//reshape 有多种多态的实现，可以是四个数字，长度为四的vector，其它blob等。if (count_ > capacity_) {capacity_ = count_;data_.reset(new SyncedMemory(capacity_ * sizeof(Dtype)));diff_.reset(new SyncedMemory(capacity_ * sizeof(Dtype)));}//当空间不够的时候，需要扩大容量，reset。

函数名中带mutable的表示可以对返回的指针内容进行修改。